【発明の詳細な説明】
超伝導磁石を対流によって冷却する手段および装置発明の技術分野
本発明は、超伝導磁石などの装置を冷却する技術分野に関する。特に、本発明
は、自然対流によって軽量熱伝達システムを通して循環される加圧ヘリウムガス
を用いて超伝導磁石を冷却し、超伝導磁石内の温度をより均一に維持するための
装置および方法に関する。発明の背景
超伝導磁石にニオビウム錫（Ｎｂ３Ｓｎ）導線を用いることにより、従来のギ
フォード−マクマホン（Gifford-McMahon）サイクルの冷凍機によって磁石を冷
却することが可能となる。このギフォード−マクマホンサイクルの冷凍機は、約
８〜１０ケルビン（Ｋ）の間の温度において効率的に冷却を行えるが、より低い
温度まで冷却できる。超伝導磁石によって発生された熱を熱伝導によってアルミ
ニウムのシェルを経由してギフォード−マクマホンサイクルの冷凍機に伝達する
ことによって超伝導磁石を冷却できることが示されている。
ナーバル・エンジニアーズ・ジャーナル（Naval Engineers Journal）１９９
２年５月）においてイー・マイケル・・ゴルダ（E．Michael Golda）らによって
発表された“非常に浅い掃海作業への超伝導の応用”と題された論文において、
４．２Ｋで動作する液体ヘリウム冷却のニオビウムチタニウム（ＮｂＴｉ）磁石
が述べられ、１０Ｋで動作する伝導冷却されたＮｂ３Ｓｎ磁石と比較されている
。Ｎｂ３Ｓｎ磁石の冷却は、掃海作業のアプリケシーョンに適合させた２段ギフ
ォード−マクマホン式密閉サイクル冷凍機によって行われている。伝導冷却式Ｎ
ｂ３Ｓｎ磁石とその断熱材の重さは、液体ヘリウム冷却式ＮｂＴｉ磁石自体の重
さよも軽いが、伝導冷却式Ｎｂ３Ｓｎ磁石において必要となる完全な冷却システ
ムでは、追加の冷凍機が必要となるため、液体ヘリウム冷却式ＮｂＴｉ磁石より
も重くなる。しかし、冷凍機の使用により、時として困難な状況下で行われる、
液体ヘリウムの周期的な供給というロジスティクな（兵站上の）問題からシステ
ムを開放できる。ゴルダらの論文は、戦闘状況での使用に関するものであるが、
伝導冷却された超伝導磁石の使用による利点は、病院内等の他の用途でも得られ
る。
第７回インターナショナル・クライオクーラー・コンファレンス（Internatio
nal Cryocooler Conference、１９９２年１１月１７〜１９日）においてジェオ
フリー・エフ・グリーンらが発表した“クライオクーラーを用いた小型Ｎｂ３Ｓ
ｎコイルの伝導冷却”と題された論文では、伝導冷却式Ｎｂ３Ｓｎ磁石の製作と
試験について述べられている。２段ギフォード−マクマホン冷凍機によって冷却
されたアルミニウムシェルの回りに磁石導線が巻かれている。支持構造体および
冷熱遮蔽からアルミニウムシェルに熱が伝導される。アルミニウムを経由して熱
が伝導されることにより、磁石の最も温度が高い位置と約２Ｋの冷凍機との間に
温度差が生じる。この温度差は、マグネットのシェルをより厚く重いアルミニウ
ム材料から製作することによって低減できる。
“５０ｋＧ気体冷却超伝導”と題されたリチャード・スチーブンソン（Richar
d Stevenson）による別の論文（１９７３年９月、５２４頁）では、巻線内に強
制的に流されたヘリウムガスによって冷却された１３Ｋで動作するＮｂ３Ｓｎ磁
石が記載されている。このシステムは伝導冷却式の磁石に比べより複雑である。
上記したように、アルミニウムシェルの回りに導線が巻かれた比較的小型の磁
石については伝導冷却が実証されているが、適当な軽量のシェルを設計するのが
困難であることから、アルミニウムシェルの回りに大きなコイルを巻装して製作
される超伝導磁石について効果的であることは証明されていない。発明の目的および概要
本発明の目的は、磁石と熱伝導関係にある冷却ループを通して加圧ヘリウムガ
スを循環させて超伝導磁石を冷却することより、従来のシステムにおける問題と
制限を取り除くシステムと方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、超伝導磁石を冷却するための少なくとも２つの動作モー
ドを有するシステム、およびこのシステムを動作させる方法を提供することにあ
る。
本発明の更に他の目的は、自然対流によって冷却ループを通して加圧ヘリウム
ガスを循環させて超伝導磁石を冷却するためのシステム、およびこのシスムを動
作させる方法を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、自然対流によって軽量の冷却ループを通して循環さ
れるヘリウムガスを用いて超伝導磁石を冷却し、これにより磁石を均一な温度に
保つためのシステムと方法を提供することにある。
本発明によれば、好ましくは約１〜約３メガパスカル（ＭＰａ）の圧力を有す
るヘリウムガスを用いて超伝導磁石を対流によって冷却するためのシステムが提
供される。対流冷却手段は、超伝導磁石を支持するための手段を経由してヘリウ
ムガスを自然対流によって循環させるための冷却ループ手段を含み、これにより
超伝導磁石から熱が除去され、超伝導磁石は約１５Ｋより低い実質的に均一な温
度に維持される。
本発明によれば、冷却ループ手段は、ヘリウムガスを冷却するための冷凍手段
を含んでいる。また、冷却ループ手段は、冷凍手段によって冷却された後のヘリ
ウムガスを超伝導磁石の下側に位置する下側母管へ向かわせるために冷凍手段の
下側に設けられた降り管を含む。また、間隔をおいて平行に配設された昇り管は
下側母管を超伝導磁石の上側に位置する上側母管に接続する。昇り管は超伝導磁
石と熱的に接触している。上側母管は、超伝導磁石と熱的に接触した後のヘリウ
ムガスを冷却手段を経由して降り管へと向かわせる。
また、本発明によれば、冷凍手段は、冷凍機と冷熱ステーションとを含む。冷
熱ステーションは、冷凍機に当接するとともに上側母管に接続された上端を有す
るとともに、降り管に接続された下端を有する。冷熱ステーションは、ヘリウム
ガスを冷却するための複数の流路を含み、上側母管からこの流路を通って降り管
へと流れるヘリウムガスを冷却する。
本発明によるシステムは、初期に超伝導磁石から熱を奪うため、超伝導磁石の
温度をその動作温度まで下げる液体起寒剤を冷却ループ手段に導入するパイパス
ヘッダーを含むことができ、これにより、冷却管は、磁石によって発生されたル
ープ応力の一部を支えるように配置して、従来構造の部分の重量を低減するよう
にしてもよい。
本発明による超伝導磁石の冷却方法は、約１〜約３ＭＰａに増圧されたヘリウ
ムガスを用いて超伝導磁石を対流によって冷却することを含む。対流冷却の工程
は、自然対流によって冷却ループを通してヘリウムガスを循環させて超伝導磁石
から熱を除去し、これによって超伝導磁石を約１５Ｋより低い実質的に均一な温
度に維持する工程を含む。冷却ループを通してヘリウムガスを循環させる工程は
、下記の工程を含む。ヘリウムガスは、上端が冷凍機に当接するとともに下端が
降り管に接続された冷熱ステーションを経由して下方に流れる。そして、ヘリウ
ムガスは、降り管を経由して下側母管へ流れる。次に、ヘリウムガスは下側母管
から超伝導磁石と熱的に密に接触している複数の昇り管へと流れ、ここで、超伝
導磁石からの熱を吸収することでヘリウムガスが加熱され、降り管内のヘリウム
ガスに比べて密度が低くなることによって、ヘリウムガスが昇り管内を上昇する
。さらに、ヘリウムは昇り管から上側母管へと循環して、冷熱ステーションを通
過して戻る。
本発明による超伝導磁石の冷却方法は、下記の工程を含む。まず、超伝導磁石
の温度は、第１動作モードによって１５Ｋより低い動作温度に迄低下する。即ち
、この第１動作モードでは、液体窒素、次いで液体ヘリウムのような液体起寒剤
を冷却ループを通して循環させることにより、超伝導磁石の温度が１５Ｋより低
い動作温度に低下するまで超伝導磁石から熱が除去される。そして、液体ヘリウ
ムの供給が停止され、気体状のヘリウムを用いて冷却回路が１〜３ＭＰａに加圧
される。そして、冷凍機がオンにされ、ヘリウムガスの対流循環によって磁石が
８〜１０Ｋに冷却される。図面の簡単な説明
本発明の現時点で好ましい実施例の構成、動作および利点は、添付図面に関連
した下記の記載を考慮することによってより明らかになるであろう。添付図面に
おいて、
図１は、対流冷却ループを備えた本発明にかかる超伝導磁石構造物の第１実施
例の概略端面図であり、
図２は、図１に示す超伝導磁石構造物の概略側面図であり、
図３は、対流冷却ループと磁石の初期始動冷却のための付加的構造とを備えた
本発明にかかる超伝導磁石構造物の第２実施例の概略側面図であり、
図４は、対流冷却ループと対流冷却ループ内に設けられた付加的な冷熱蓄熱構
造とを備えた本発明にかかる超伝導磁石構造物の第３実施例の概略側面図であり
、
図５は、対流冷却ループと低温ガスアキュムレータとを備えた本発明にかかる
超伝導磁石構造物の第４実施例の概略側面図であり、
図６は、本発明による第４実施例の概略端面図であり、
図７は、超伝導磁石を垂直に向け、この超伝導磁石を対流冷却ループの単一の
昇り管によって冷却するようにした本発明にかかる第５実施例の概略側面図であ
る。発明の詳細な説明
図１と図２参照すると、大型でコイルが巻装された超伝導磁石１１を冷却する
ための対流冷却ループ１３を有する本発明に従う超伝導磁石のシステム１０が示
されている。本発明は、独特な構成および方法を用いた冷却によって達成される
が、基本的には、加圧されたヘリウムガスをこの低温ヘリウムガスの自然対流の
みを用いて対流冷却ループ１３を通して循環させるものである。
システム１０は中空の支持ハウジング１２を含み、この支持ハウジング１２は
、円筒形の外表面１４、これと同軸の貫通穴１６、および円板状の側壁１８、２
０を有する。側壁１８、２０の各々には、それらを貫通して貫通穴１６の直径に
対応する円形の開口が設けられている。円筒形状の超伝導磁石１１は、支持構造
体（明確には示されていない）の回りに巻装され貫通穴１６の回りに同軸的に配
置されたコイルを含んでいる。例示としての超伝導磁石１１は、直径が約７６０
ｍｍで、約５００ｍｍの長さを有する。
本発明の原理的な特徴は、対流冷却ループ１３を通って流れる低温ヘリウムガ
スの自然対流によって磁石１１を冷却する構成と方法にある。対流冷却ループ１
３は、慣用の密閉サイクル冷凍機２４を有し、該冷凍機２４は、磁石１１の上方
に置かれ、任意の慣用手段によって、支持ハウジング１２自体に又はこれに隣接
して固定されている。冷凍機２４は、約８Ｋにおいて約０．４ワット（Ｗ）の容
量、即ち冷却負荷を有するのが好ましい。冷凍機２４は、ギフォード−マクマホ
ン（Gifford-McMahon）またはスターリング（Stirling）形の冷凍機とすること
ができ、２段または３段の膨張器２６を有している。膨張器２６の上部の回りの
空間２８はほぼ室温である。冷凍機２４の下流側の端部は、入口部３２と出口部
３４とを有する冷熱ステーション３０に当接している。冷熱ステーション３０は
、銅などの熱伝導性材料からなる複数の流路３６を含み、それらの上端および下
端が開放され、後で詳述するように、ヘリウムガスが入口部３２と出口部３４と
の間で流路３６を経由して自由に流れる。
冷熱ステーション３０の出口部３４は、対流冷却ループ１３の別の部分である
降り管４４の上端に連結されている。降り管４４は磁石１１の一端から離れて位
置決めされ、冷熱ステーション３０から磁石１１の下側の位置まで延在している
。また降り管４４は、図１に示すように、磁石１１と実質的に同じ曲率半径を有
している。降り管４４の下端部４６は下側母管５２の第１部分５０の入口４８に
連結されている。この下側母管５２は、対流冷却ループ１３の一部であり、降り
管４４から外側に向けて直角にかつ磁石１１の底に隣接して、磁石１１の反対側
の端部にある出口５４まで延在している。出口５４は下側母管５２の第２部分５
８を介して、下側母管５２の第３部分６４の入口６２に連結されている。第３部
分６４は、第１部分５２と実質的に平行に延在し、磁石１１の底に沿って降り管
４４に近い閉塞端部６６まで戻り方向に突出している。
さらに、対流冷却ループ１３は、相互に離間した複数の円筒形状の昇り管６８
を含んでいる。各昇り管６８は２個の湾曲部分６８Ａ及び６８Ｂを有し、これら
が一緒になって磁石１１を取り囲み、磁石と熱的に密に接触している。図１に示
すように、湾曲部分６８Ａ、６８Ｂの各々はそれらの下端７０Ａ、７０Ｂにおい
て下側母管５２の第３部分６４に連結されており、また上方に延びてそれらの上
端７２Ａ及び７２Ｂは上側母管７４に連結されている。上側母管７４は、閉じた
第１端部７６と円筒形状の第２端部７８とを有し、この第２端部７８は冷凍機２
４の出力端を取り囲んでおり、また冷熱ステーション２０の入口部３２と流体的
につながっている。典型的には８個から１２個の間の数である複数の昇り管６８
は、磁石１１の導線コイルと熱的に密に接触しており、また熱が除去される別の
場所において接触している。そして、昇り管６８は、ヘリウムガスが超伝導磁石
１１の回りを流れるための複数の平行通路を形成する。昇り管６８の湾曲部６８
Ａ及び６８Ｂを磁石１１の外周の回りに位置決めする利点は、磁界の影響下で半
径方向外側へ拡張する傾向のある磁石１１を拘束するという付加的な有利な機能
を昇り管が提供することである。昇り管６８の湾曲部６８Ａ及び６８Ｂは磁石１
１の半径方向外側に位置するように示されているが、所望により、磁石１１の内
側円筒穴内に湾曲部６８Ａ及び６８Ｂを配置することもでき、これも本発明の範
囲に包含されるものである。
本発明の一つの視点は、閉じ込められた支持ハウジング１２が真空分離などの
手段を用いて分離されていることであり、これにより、周囲からの熱またはハウ
ジング１２内で発生した熱の何れも、ハウジング１２を介して降り管４４または
上側および下側母管７４、５２へと伝達されることはない。
本発明をより良く理解するため、対流冷却サイクルを用いて超伝導磁石１１を
冷却するための理論、動作方法、および装置について以下に詳述する。対流冷却
サイクルを開始するために、好ましくは約１ＭＰａ〜３ＭＰａの圧力に加圧され
たヘリウムガスは、冷熱ステーション３０を経由して降り管４４の頂部４２へと
対流冷却ループ１３内を流れるときに、冷凍機２４の下流側部分との熱的接触に
より冷却される。降り管４４は、冷凍機２４の下側に垂れ下がっており、封止さ
れた支持ハウジング１２内において熱的に分離され、これにより、降り管４４内
の低温ヘリウムガスは、本質的に冷凍機２４における温度と同じ温度にある。低
温ヘリウムガスは降り管４４を経由して下方に流れる。何故なら、低温ヘリウム
ガスの密度は、ガスの温度がより高い冷却回路の下流側の部分、即ち、昇り管６
８及び上側母管７４内における気体密度と比較して高いためである。そして低温
ヘリウムガスは、同じく熱的に分離された下側母管５２へと流れ、複数の小径昇
り管６８へと分配される。対流冷却ループ１３及び対流サイクルについて続ける
。ヘリウムガスは、昇り管６８を通って上方に流れるときに超伝導磁石１１およ
びその他の熱源（図示略）からの熱を吸収して温められ、これにより超伝導磁石
１１を約１５Ｋより低い動作温度に維持する。この熱吸収によりヘリウムガスの
温度が上昇し、膨張によりその密度が減少する。ヘリウムガスの密度の減少によ
り、ヘリウムガスは、上側母管７４へと上昇する（煙突効果）。何故なら、この
とき、昇り管内のガスは、降り管４４内および下側母管５２内の双方におけるヘ
リウムガスよりも低い密度にあり、対流冷却ループ１３内を通る、より密度の高
いヘリウムガスの流れにより自然に上方に移動させられる。冷却サイクルを完了
させるために、その温かくなり密度が低くなったヘリウムガスは、上側母管７４
を経由して移動し、冷凍機２４の下流端を横切り且つ熱ステーション３０を横切
る間にそこで冷却され、降り管４４の下方へ降り、移動冷却サイクルを再び始め
る。
本発明の重要な点は、対流冷却ループ１３を通ってヘリウムガスが流れるため
の閉じた流路を形成する管の寸法の選択に関する。即ち、対流冷却ループ１３の
各部を通るヘリウムガスの質量流量を等しくするために均一な流路が作られてい
る。即ち、等しい質量の加圧ヘリウムガスが対流冷却ループ１３の第１部分と第
２部分を経由して流れる。この第１部分は、ヘリウムガスが本質的に冷凍機２４
の温度と等しい一定の温度になる降り管４４と下側母管５２とを含んでおり、第
２部分は、ヘリウムガスが第１部分内のガスと比較して比較的高い温度になる昇
り管６８の各々と上側母管７４とを含んでいる。概念的には、管の寸法は、必要
とされる経路長さを補償するために変更可能である。例えば、より小径の管を選
択することにより、流れが制限され、冷却が抑えられる。逆に、より大径の管で
は、流れに対する制限が減少し、冷却が高められる。
図１と図２に示す形式の例示的なシステムにおいては、ヘリウムガスは、８．
３ミリメータ（ｍｍ）の内径（ＩＤ）を有する降り管４４及び同径の下側母管５
２へと自由に流れる。下側母管５２は、各流れ経路の長さが同じになるように戻
り方向に折り曲げられており、その結果、各昇り管６８を経由しての流れが同じ
になる。本例では、昇り管６８は２．４ｍｍのＩＤを有し、上側母管７４は８．
３ｍｍのＩＤを有する。
本発明の重要な点は、好ましくは低温ヘリウムガスである冷却媒体は、この低
温ヘリウムガスの自然対流（煙突効果）によってシテスム１０の中空支持ハウジ
ング１２内の対流冷却ループ１３を通って本来的に循環していることである。自
然対流は、比較的軽量の支持ハウジング１２内の対流冷却ループ１３を通ってよ
り均一な温度でヘリウムガスが循環されるため有利である。また、自然対流を用
いることにより、冷却システム全体のコスト及び重量を増加させることとなるポ
ンプなどの付加的な構成部品が不要となる。」
支持ハウジング１２の冷却効果をより高めるために、対流冷却ループ１３内の
ヘリウムガスを約１ＭＰａ〜約３ＭＰａの範囲の加圧状態にすることが望ましい
。本発明のこの点は下記のように理解できる。
図２を参照すると、ヘリウムガスは、上側母管７４と下側母管５２との間の全
圧力差によって、ハウジング１２を通過して対流冷却ループ１３内を循環する。
この全圧力差は、下側母管５２内のヘリウムガスと上側母管７４内のヘリウムガ
スとの間の密度差に高さを乗じた値に等しい。対流冷却ループ１３のこれらの２
つの部分間におけるヘリウムガスの密度差は圧力に対してほぼ直線的に増加する
（これは、ヘリウムガスが、その密度が圧力に対して直線的に比例する理想気体
に近いということに基づいている）。したがって、加圧状態にすると、ヘリウム
ガスの増加した密度により、大きな圧力差がもたらされる。質量流によって運ば
れる熱は、質量流量にヘリウムガスの比熱を乗じ、さらにヘリウムガスの温度変
化を乗じた値に等しい。即ち、圧力が高い程、質量の循環速度が高くなる。これ
により、温度変化は、圧力差によって１を除した値とほぼ等しくなる。実際、対
流冷却ループ１３内のガスの圧力を増加させると温度変化が減少する。これは、
超伝導磁石１１は、理想的には、熱が奪われている間は約１５Ｋより下の均一な
温度に保たれることから重要となる。したがって、奪熱量を可能な限り大きくす
ることにより、温度変化を可能な限り小さく保つことができる。かくて、圧力を
高めることによって、低い温度差でも同じ量の熱を奪うことができる。
本例では、降り管４４内のヘリウムガスは、温度が８Ｋで、圧力が２ＭＰａで
ある。その結果、リットル当たり１２６．２グラム（ｇ／Ｌ）の密度となる。昇
り管６８を通って移動するヘリウムガスは８．３Ｋの温度まで温められ、上側母
管７４内において１２１．６５ｇ／Ｌまで密度が減少する。昇り管６８内でのヘ
リウムガスの温度上昇速度が一定であると仮定すると、対流冷却ループ内でヘリ
ウムガスを移動させるのに利用できる圧力差は、密度差に高さを乗じそれを２で
除した値、本例では１７．２Ｐａと等しい。これは、冷却ループ１３内での圧力
降下と等しい。２で割っている理由は、平均温度変化を仮定したためである。毎
秒０．３０グラムの質量流量は０．４Ｗを吸収し、ヘリウムガスを８．０Ｋから
８．３Ｋに温める。温度上昇、循環速度、および圧力降下を計算するための実際
の手順は、幾つかの温度上昇値を推定し、これに対応する質量流量と駆動圧力差
を計算するという反復的なものである。そして、この質量流量は、圧力降下を計
算するのに使用される。駆動圧力差が圧力降下に等しくなるまで上記の繰り返し
計算が継続される。
ヘリウムガスを加圧することのもう一つの利点は、循環ループ中を流れるガス
の速度及び圧力降下の双方を低下させることである。これらの要因により、冷却
ループ１３中において、より小径の管の使用が可能になる。本例の管がアルミニ
ウムであると仮定すると、その重量は約０．２Ｋｇとなる。従来技術の原理によ
って動作する、高純度のアルミニウムによって製作された類似の伝導冷却シェル
の場合にも０．３Ｋの温度差を有するが、重量は約０．６Ｋｇとなるであろう。
さらに、もしその冷却シェルがより一般的な６０６３グレードのアルミニウムで
作られている場合には、その重量は２５Ｋｇとなるであろう。
本発明の対流冷却ループ１３は、従来の伝導冷却システムと比較した場合に、
磁石１１への給電中断による影響に関連して更に２つの利点がある。超伝導磁石
１１を常態にすることなく８Ｋから１０Ｋに温めることができると仮定すると、
伝導シェルが０．６Ｋｇのアルミニウムである場合には、冷却を停止した後に３
．５秒間運転を継続できる。アルミニウムシェルの重量が２５Ｋｇの場合には、
冷却停止後の動作時間は１４４秒まで増加する。給電が中断された場合、冷凍機
２４が温かくなり始め、膨張器２６内部における伝導損失により、冷凍機２４の
低温の下流側端部に向かって熱が流れる。その結果、冷凍機２４が再起動される
と、冷熱ステーション３０は、最初に温度が上昇し、そして再び通常の動作温度
へと温度が低下する。
対流冷却ループ１３が提供する第２の利点は、冷凍機２４の再起動によって発
生する熱が超伝導磁石１１に伝達されないということである。何故なら、対流ル
ープ１３は、熱スイッチとして動作し、熱を上側母管７４に向かって上方にのみ
伝達し、下側母管５２に向かって下方には伝達しないためである。すなわち、冷
凍機２４の近傍のより温かいヘリウムガスの密度は、降り管４４および下側母管
５２内のより低温のヘリウムガスの密度よりも低いため、温かいヘリウムガスを
冷却ループ１３のより低温の部分へ向かって、即ち、降り管４４および下側母管
５２に向かって下方へ移動させるのに使用される圧力差は存在しない。本システ
ムの固有の部分を成すこの熱遮断は、温かいガスと冷たいガスの混合を確実に阻
止でき、これによって、冷却ループ１３を通っての循環量を減少できることから
重要である。
上記した本発明の装置および方法は、超伝導磁石１１を対流によって冷却する
ための非常に効果的な手段を提供するものであるが、図３に示す代替となる実施
例を提供することも本発明の範囲である。図３の実施例では、システム１０は、
超伝導磁石１１を迅速に動作温度にする第１の動作モードと、磁石１１を最適な
動作温度に維持する第２動作モードとを有する。
図３を参照すると、第２の実施例に従う軽量の対流冷却ループ１３’及びシス
テム１０’の概略が示されている。このシステム１０’は、超伝導磁石１１’の
温度を迅速にかつ効果的に動作温度まで下げる第１の動作モードと、磁石１１’
を最適な動作温度に維持する第２モードとを有する。本明細書全体を通して、一
つ、二つ、または三つのプライム符号（’）が付けられた参照番号は、プライム
符号が付されていない同じ参照番号によって表される構成要素と実質的に同一の
構成要素を表す。
本発明は、温度が約８０Ｋの液体窒素、及び、４．２Ｋの液体ヘリウムなどの
液体起寒剤が、入口管１０２を含むバイパスヘッダー１０１を経由して降り管１
００内に最初に導入されるという独特な構造及び方法によって、システム１０’
内において超伝導磁石１１’を上記の２つのモードで冷却する。。これらの液体
起寒剤は、降り管１００、下側母管５２’、昇り管６８’および上側母管７４’
を含む対流冷却ループ１３’を通って密閉サイクル冷凍機２４’へ流れ、冷熱ス
テーション３０’を経由して、下流端が降り管１００に接続された接続管１０４
へと流れる。液体起寒剤が気化して対流冷却ループ１３’内を循環するため、い
まは密度が低下し温度が高くなった戻りガスは、導入されるより密度が高い流体
と混じることができず、従って、強制的に上方に流されてパイパスヘッダー１０
１の排出管１０６から流出する。このパイパスヘッダー１０１の排出管１０６は
、入口管１０２と同心的に位置決めできる。
液体ヘリウムにより磁石１１’の温度が１５Ｋより低い動作範囲内に下げられ
た後に、液体ヘリウムの流れが止められる。そして、第２の高圧ヘリウムガスが
管１０６を経由して対流冷却ループ１３’内に導入され、冷凍機がオンにされ、
システムは、図１及び図２に示した第１実施例について詳述した原理によって動
作する。
上記した本発明の装置および方法は、超伝導磁石１１および１１’を対流によ
って冷却するための非常に効果的な手段を提供するものであるが、図４に示す代
替実施例を提供することも本発明の範疇である。図４には、対流冷却ループ１３
''と付加的な低温貯蔵構造１２０とを備えた超伝導磁石構造物１０''の第３実施
例の概略側面が示されている。冷熱蓄熱構造１２０は、対流冷却ループ１３''内
に設けられており、冷却システムが故障した場合に、ループ１３''内の低温度を
より長時間維持する。冷熱蓄熱構造１２０は、降り管４４''の部分１２２の寸法
を大きくするだけで設けることが可能である。
上記した本発明の装置および方法は、超伝導磁石１１''を追加的に冷却するた
めの非常に効果的な手段を提供するものであるが、図５と図６に示す代替実施例
を提供することも本発明の範囲に入る。図５及び図６では、対流冷却ループ１３
０を有する超伝導磁石１０'''の第４の実施例は、図４及び図５の実施例と比較
すると、更に追加の冷却を提供する。降り管１３２は、ここでは、上側母管７４
'''下側の水平部１３４を含み、上側母管７４'''の下側に置かれる。水平部１３
４の端部には、垂直部１３６が冷熱ステーション３０'''から下方に向けて磁石
１１'''の下側の位置まで延在している。」また、降り管１３２の垂直部１３６
は、図６に示すように、磁石１１'''と実質的に同じ曲率半径を有する。降り管
１３６の下端１３８は、磁石１１'''の底に隣接する下側母管１４２の入口１４
０に接続されている。対流冷却ループ１３０は、更に相互に離間した複数の円筒
形状の昇り管６８'''を含んでいる。この昇り管６８'''は、磁石１１'''を取り
囲み、磁石１１'''と熱的に密に接触している。図５と図６に示すように、昇り
管６８'''の夫々は、湾曲部６８Ａ'''及び６８Ｂ'''を有し、これらは下端で下
側母管１４２に連結されており、また上方に延びてそれらの上端が上側母管７４
'''に連結されている。第４実施例の利点は、停電時に低温ガスの貯留分が降り
管１３２の水平部１３４内に留まることである。
上記した本発明の装置および方法は、超伝導磁石１１を対流によって冷却する
ための非常に効果的な手段を提供するものであるが、図７に示す代替実施例を提
供することも本発明の範囲に入る。図７には、磁石１１と実質的に同じであるが
垂直方向に向けられた超伝導磁石１５０を設けてある。磁石１５０は対流冷却ル
ープ１５４の単一の昇り管１５２によって冷却される。冷却ループ１５４は、密
閉サイクル冷凍機２４と実質的に同じで、磁石１５０に隣接して配置された慣用
の密閉サイクル冷凍機１５６を含んでいる。冷凍機１５６の下流側の端部は、入
口部１５８及び出口部１６０を有する冷熱ステーション３０'''を有する。
冷熱ステーション３０'''の出口部１６０は、対流冷却ループ１５４の降り管
１６２の上端に接続されている。降り管１６２は、磁石１５０の一方の側から離
間して位置決めされ、冷熱ステーション３０'''から磁石１５０の下側の位置ま
で延在している。また降り管１６２の下端は、対流冷却ループ１５４の一部であ
る下側母管１６４に接続されている。この下側母管１６４は、降り管１６２から
外側に向かって磁石１５０の底の下方で水平に延在している。下側母管１６４は
、垂直方向上方に向けて延在し磁石１５０と熱的に密に接触する昇り管１５２に
接続されている。上側母管１６８は、管１５２の上端を冷熱ステーション３０''
'の入口部１５８に接続している。
動作中は、磁石１５０で発生した熱は、磁石１５０の回りに配置された軽量ア
ルミニウムシェルを経由して半径方向外側へと流れる。磁石が垂直に向けられて
いるため、単一の昇り管１５２によって冷却できる。
前述した目的、手段および利点を満足する、自然対流によって加圧ヘリウムガ
スを冷却ループを通して循環させることによって超伝導磁石を冷却するための装
置と方法が、本発明によって提供されることは明らかである。さらに、超伝導磁
石を動作温度まで迅速に冷却するとともに、システムの異常の後においても低い
動作温度を維持する装置と方法が提供された。
本発明をその実施例とともに説明したが、上記の教示に照らして、多くの代替
、修正及び変更が当業者にとって自明であることは明らかである。したがって、
本発明は、そのような代替、修正及び変更が添付のクレームの精神及び範囲内に
入るものとしてこれらを包含することを意図するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Means and apparatus for convectively cooling superconducting magnets TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the technical field of cooling devices such as superconducting magnets. In particular, the present invention relates to an apparatus and method for cooling a superconducting magnet with pressurized helium gas that is circulated through a lightweight heat transfer system by natural convection to maintain a more uniform temperature within the superconducting magnet. Background of the Invention The use of niobium tin (Nb3Sn) conductors in the superconducting magnet allows the magnet to be cooled by a conventional Gifford-McMahon cycle refrigerator. The Gifford-McMahon cycle refrigerator provides efficient cooling at temperatures between about 8 and 10 Kelvin (K), but can cool to lower temperatures. It has been shown that the superconducting magnet can be cooled by transferring the heat generated by the superconducting magnet through the aluminum shell to the Gifford-McMahon cycle refrigerator by thermal conduction. "The application of superconductivity to very shallow minesweeping work" presented by E. Michael Golda and others in the Naval Engineers Journal, May 1992. In the published article, a liquid helium cooled niobium titanium (NbTi) magnet operating at 4.2K is described and compared to a conduction cooled Nb3Sn magnet operating at 10K. The cooling of the Nb3Sn magnet is performed by a two-stage Gifford-McMahon type closed cycle refrigerator adapted to the application of minesweeping work. The weight of the conduction cooled Nb3Sn magnet and its insulation is lighter than the weight of the liquid helium cooled NbTi magnet itself, but the complete cooling system required for the conduction cooled Nb3Sn magnet requires an additional refrigerator. Therefore, it is heavier than the liquid helium cooled NbTi magnet. However, the use of a refrigerator frees the system from the logistical problem of periodic supply of liquid helium, which is sometimes difficult. Although the Golda et al. Article relates to use in combat situations, the benefits of using conduction cooled superconducting magnets can be obtained in other applications such as in hospitals. "Conduction cooling of small Nb3Sn coils using cryocoolers" announced by Geoffrey F. Green at the 7th International Cryocooler Conference (November 17-19, 1992). The titled paper describes the fabrication and testing of conduction cooled Nb3Sn magnets. A magnet wire is wrapped around an aluminum shell cooled by a two-stage Gifford-McMahon refrigerator. Heat is conducted from the support structure and the cold shield to the aluminum shell. The conduction of heat through the aluminum creates a temperature difference between the hottest position of the magnet and the refrigerator at about 2K. This temperature difference can be reduced by making the magnet shell from a thicker and heavier aluminum material. Another paper (Richard d Stevenson) entitled "50 kG Gas Cooled Superconductivity" (September 1973, p. 524) cooled by helium gas forced into the windings. An Nb3Sn magnet operating at 13K is described. This system is more complex than conduction cooled magnets. As mentioned above, conduction cooling has been demonstrated for relatively small magnets with a wire wound around the aluminum shell, but it is difficult to design a suitable lightweight shell, so It has not been proven to be effective for superconducting magnets made by winding a large coil around. Object and Summary of the Invention It is an object of the present invention to provide a system and method that eliminates the problems and limitations of conventional systems by circulating pressurized helium gas through a cooling loop in heat transfer relationship with the magnet to cool the superconducting magnet. is there. Another object of the invention is to provide a system having at least two modes of operation for cooling a superconducting magnet, and a method of operating this system. Yet another object of the present invention is to provide a system for circulating pressurized helium gas through a cooling loop to cool a superconducting magnet by natural convection, and a method of operating this system. Yet another object of the present invention is to provide a system and method for cooling superconducting magnets with helium gas that is circulated through a lightweight cooling loop by natural convection, thereby keeping the magnets at a uniform temperature. It is in. According to the present invention, there is provided a system for convectively cooling a superconducting magnet using helium gas, which preferably has a pressure of about 1 to about 3 megapascals (MPa). The convection cooling means includes cooling loop means for circulating natural gas by natural convection through the means for supporting the superconducting magnet, which removes heat from the superconducting magnet and causes the superconducting magnet to A substantially uniform temperature below 15K is maintained. According to the invention, the cooling loop means comprises refrigeration means for cooling the helium gas. The cooling loop means also includes a downcomer provided below the refrigeration means for directing the helium gas, which has been cooled by the refrigeration means, to the lower mother tube located below the superconducting magnet. Further, the rising pipes arranged in parallel at intervals connect the lower mother pipe to the upper mother pipe located above the superconducting magnet. The riser is in thermal contact with the superconducting magnet. The upper mother tube directs the helium gas, which is in thermal contact with the superconducting magnet, to the downcomer via the cooling means. Further, according to the present invention, the refrigeration means includes a refrigerator and a cold heat station. The cooling / heating station has an upper end that is in contact with the refrigerator and is connected to the upper mother pipe, and has a lower end that is connected to the downcomer. The cooling station includes a plurality of passages for cooling the helium gas, and cools the helium gas flowing from the upper mother pipe through the passages to the downcomer pipe. The system according to the invention may include a bypass header for introducing a liquid cryogen into the cooling loop means, which lowers the temperature of the superconducting magnet to its operating temperature in order to initially draw heat from the superconducting magnet, thereby cooling it. The tube may be arranged to carry a portion of the loop stress generated by the magnets to reduce the weight of portions of conventional construction. The method for cooling a superconducting magnet according to the present invention includes convectively cooling the superconducting magnet with helium gas boosted to about 1 to about 3 MPa. The step of convective cooling involves circulating helium gas through the cooling loop by natural convection to remove heat from the superconducting magnet, thereby maintaining the superconducting magnet at a substantially uniform temperature below about 15K. Circulating the helium gas through the cooling loop includes the following steps. The helium gas flows downward through a cooling / heating station whose upper end contacts the refrigerator and whose lower end is connected to the downcomer. Then, the helium gas flows through the downcomer pipe to the lower mother pipe. Next, the helium gas flows from the lower mother tube to the multiple rising tubes that are in close thermal contact with the superconducting magnet, where the helium gas is heated by absorbing the heat from the superconducting magnet. Then, the density becomes lower than that of the helium gas in the descending pipe, so that the helium gas rises and rises in the pipe. In addition, helium circulates from the riser tube to the upper mother tube and back through the cooling station. The method for cooling a superconducting magnet according to the present invention includes the following steps. First, the temperature of the superconducting magnet is lowered to an operating temperature lower than 15K by the first operation mode. That is, in this first mode of operation, liquid nitrogen and then a liquid cryogen, such as liquid helium, is circulated through the cooling loop to remove heat from the superconducting magnet until the temperature of the superconducting magnet drops to an operating temperature below 15K. Are removed. Then, the supply of liquid helium is stopped, and the cooling circuit is pressurized to 1 to 3 MPa using gaseous helium. Then, the refrigerator is turned on, and the magnet is cooled to 8 to 10K by convection circulation of helium gas. Brief description of the drawings The construction, operation and advantages of the presently preferred embodiment of the invention will become more apparent in view of the following description in conjunction with the accompanying drawings. 1 is a schematic end view of a first embodiment of a superconducting magnet structure according to the present invention having a convection cooling loop, and FIG. 2 is a schematic end view of the superconducting magnet structure shown in FIG. FIG. 3 is a side view, and FIG. 3 is a schematic side view of a second embodiment of a superconducting magnet structure according to the invention with a convection cooling loop and an additional structure for initial startup cooling of the magnet, 4 is a schematic side view of a third embodiment of a superconducting magnet structure according to the present invention, which comprises a convection cooling loop and an additional cold heat storage structure provided in the convection cooling loop, and FIG. FIG. 7 is a schematic side view of a fourth embodiment of a superconducting magnet structure according to the invention with a convection cooling loop and a cryogenic gas accumulator, and FIG. 6 is a schematic end view of the fourth embodiment of the invention, In Figure 7, the superconducting magnet is oriented vertically and the superconducting magnet is cooled by convection. FIG. 9 is a schematic side view of a fifth embodiment according to the present invention in which cooling is performed by a single rising pipe of the cooling loop. Detailed description of the invention 1 and 2, there is shown a system 10 of superconducting magnets according to the present invention having a convection cooling loop 13 for cooling a large, coiled superconducting magnet 11. The present invention is achieved by cooling using a unique configuration and method, but basically the pressurized helium gas is circulated through the convection cooling loop 13 using only natural convection of this cold helium gas. Is. The system 10 includes a hollow support housing 12 having a cylindrical outer surface 14, a through hole 16 coaxial therewith, and disk-shaped side walls 18, 20. Each of the side walls 18 and 20 is provided with a circular opening penetrating them and corresponding to the diameter of the through hole 16. The cylindrically shaped superconducting magnet 11 comprises a coil wound around a support structure (not explicitly shown) and arranged coaxially around a through hole 16. The exemplary superconducting magnet 11 has a diameter of about 760 mm and a length of about 500 mm. The principle feature of the present invention resides in the configuration and method of cooling the magnet 11 by natural convection of cold helium gas flowing through the convection cooling loop 13. The convection cooling loop 13 has a conventional closed cycle refrigerator 24, which is placed above the magnet 11 and fixed by any conventional means to or adjacent to the support housing 12 itself. Has been done. Refrigerator 24 preferably has a capacity, or cooling load, of about 0.4 watts (W) at about 8K. The refrigerator 24 may be a Gifford-McMahon or Stirling type refrigerator and has a two-stage or three-stage expander 26. The space 28 around the top of the inflator 26 is at about room temperature. The downstream end of the refrigerator 24 is in contact with a cooling / heating station 30 having an inlet 32 and an outlet 34. The cooling station 30 includes a plurality of flow paths 36 made of a heat conductive material such as copper, the upper and lower ends of which are open, and helium gas is introduced into the inlet portion 32 and the outlet portion 34, as described in detail later. Freely flow between them via the flow path 36. The outlet 34 of the cooling station 30 is connected to the upper end of the downcomer 44, which is another part of the convection cooling loop 13. The downcomer 44 is positioned away from one end of the magnet 11 and extends from the cooling station 30 to a position below the magnet 11. Further, the downcomer 44 has substantially the same radius of curvature as the magnet 11 as shown in FIG. The lower end portion 46 of the downcomer pipe 44 is connected to the inlet 48 of the first portion 50 of the lower mother pipe 52. This lower mother tube 52 is part of the convection cooling loop 13 and exits at a right angle outward from the downcomer 44 and adjacent to the bottom of the magnet 11 at the opposite end of the magnet 11. Has been extended to. The outlet 54 is connected to the inlet 62 of the third portion 64 of the lower mother pipe 52 via the second portion 58 of the lower mother pipe 52. The third portion 64 extends substantially parallel to the first portion 52 and projects in the return direction along the bottom of the magnet 11 to a closed end 66 near the downcomer 44. Further, the convection cooling loop 13 includes a plurality of cylindrical rising pipes 68 spaced from each other. Each riser tube 68 has two curved portions 68A and 68B which together enclose the magnet 11 and are in intimate thermal contact with the magnet. As shown in FIG. 1, each of the curved portions 68A, 68B is connected at their lower ends 70A, 70B to the third portion 64 of the lower mother tube 52 and extends upwardly so that their upper ends 72A and 72B are It is connected to the upper mother pipe 74. The upper mother tube 74 has a closed first end 76 and a cylindrical second end 78, which surrounds the output end of the refrigerator 24 and also the cooling station 20. Is fluidly connected to the inlet 32 of the. A plurality of riser tubes 68, typically between eight and twelve, are in close thermal contact with the conductor coil of the magnet 11 and at another location where heat is removed. ing. Then, the riser pipe 68 forms a plurality of parallel passages for the helium gas to flow around the superconducting magnet 11. The advantage of positioning the bends 68A and 68B of the riser tube 68 around the outer circumference of the magnet 11 provides the additional advantageous function of constraining the magnet 11 which tends to expand radially outward under the influence of a magnetic field. That is what the rising pipe provides. Although the bends 68A and 68B of the riser 68 are shown to be radially outside of the magnet 11, the bends 68A and 68B can be located within the inner cylindrical bore of the magnet 11 if desired, This is also included in the scope of the present invention. One aspect of the present invention is that the enclosed support housing 12 is separated using means such as vacuum separation so that either heat from the surroundings or heat generated within the housing 12 is It is not transmitted via the housing 12 to the downcomer 44 or the upper and lower mother tubes 74, 52. For a better understanding of the invention, the theory, method of operation, and apparatus for cooling superconducting magnet 11 using a convection cooling cycle are detailed below. To initiate the convection cooling cycle, the helium gas, preferably pressurized to a pressure of about 1 MPa to 3 MPa, flows through the cooling station 30 to the top 42 of the downcomer 44 in the convection cooling loop 13. , And is cooled by thermal contact with the downstream portion of the refrigerator 24. The downcomer 44 hangs under the refrigerator 24 and is thermally separated within the sealed support housing 12 so that the cold helium gas in the downcomer 44 is essentially the refrigerator 24. At the same temperature as in. The low temperature helium gas flows downward via the downcomer 44. This is because the density of the low temperature helium gas is high as compared with the gas density in the downstream portion of the cooling circuit where the temperature of the gas is higher, that is, in the riser pipe 68 and the upper mother pipe 74. Then, the low-temperature helium gas flows to the lower mother pipe 52, which is also thermally separated, and is distributed to the plurality of small-diameter rising pipes 68. Continue with convection cooling loop 13 and convection cycle. The helium gas absorbs heat from the superconducting magnet 11 and other heat sources (not shown) as it flows upward through the riser 68, thereby warming the superconducting magnet 11 to an operating temperature below about 15K. To maintain. The heat absorption raises the temperature of the helium gas, and the expansion reduces its density. Due to the decrease in the density of the helium gas, the helium gas rises to the upper mother pipe 74 (chimney effect). Because, at this time, the gas in the riser pipe is at a lower density than the helium gas in both the downcomer pipe 44 and the lower mother pipe 52, and the gas of the denser helium gas passing through the convection cooling loop 13 It is naturally moved upward by the flow. To complete the cooling cycle, the warmed, less dense helium gas travels via the upper mother tube 74 and is cooled there while traversing the downstream end of the refrigerator 24 and across the thermal station 30. , Down below the downcomer 44 and restart the transfer cooling cycle. An important aspect of the present invention is the selection of the dimensions of the tubes that form a closed flow path for the flow of helium gas through the convection cooling loop 13. That is, a uniform flow path is formed in order to equalize the mass flow rate of the helium gas passing through each part of the convection cooling loop 13. That is, an equal mass of pressurized helium gas flows through the first and second portions of the convection cooling loop 13. The first part includes a downcomer 44 and a lower mother pipe 52, where the helium gas is at a constant temperature essentially equal to the temperature of the refrigerator 24, and the second part is the helium gas first part. It includes each of the riser tubes 68 and the upper mother tube 74, which have a relatively high temperature compared to the gas therein. Conceptually, the tube dimensions can be varied to compensate for the required path length. For example, selecting a smaller diameter tube will limit flow and reduce cooling. Conversely, larger diameter tubes have less restriction on flow and increased cooling. In the exemplary system of the type shown in FIGS. 1 and 2, the helium gas is 8. It flows freely to the downcomer 44 having an inner diameter (ID) of 3 millimeters (mm) and the lower mother pipe 52 of the same diameter. The lower mother pipe 52 is bent in the return direction so that the lengths of the respective flow paths are the same, and as a result, the flows through the respective riser pipes 68 are the same. In this example, the riser pipe 68 has an ID of 2.4 mm and the upper mother pipe 74 is 8. It has an ID of 3 mm. It is important to note that the cooling medium, which is preferably cold helium gas, is inherently passed through the convective cooling loop 13 in the hollow support housing 12 of the system 10 by the natural convection (chimney effect) of this cold helium gas. It is in circulation. Natural convection is advantageous because helium gas is circulated through the convection cooling loop 13 in the relatively lightweight support housing 12 at a more uniform temperature. Also, the use of natural convection eliminates the need for additional components such as pumps, which would increase the cost and weight of the overall cooling system. In order to further enhance the cooling effect of the support housing 12, it is desirable to bring the helium gas in the convection cooling loop 13 into a pressurized state in the range of about 1 MPa to about 3 MPa. This point of the present invention can be understood as follows. Referring to FIG. 2, helium gas circulates through the housing 12 and within the convection cooling loop 13 due to the total pressure differential between the upper mother tube 74 and the lower mother tube 52. This total pressure difference is equal to the density difference between the helium gas in the lower mother pipe 52 and the helium gas in the upper mother pipe 74 multiplied by the height. The density difference of helium gas between these two parts of the convection cooling loop 13 increases almost linearly with pressure (this means that helium gas is an ideal gas whose density is linearly proportional to pressure). Based on the fact that it is close to. Thus, under pressure, the increased density of helium gas results in a large pressure differential. The heat carried by the mass flow is equal to the mass flow rate times the specific heat of the helium gas, and then the temperature change of the helium gas. That is, the higher the pressure, the higher the mass circulation rate. As a result, the temperature change becomes substantially equal to the value obtained by dividing 1 by the pressure difference. In fact, increasing the pressure of the gas in the convection cooling loop 13 decreases the temperature change. This is important because the superconducting magnet 11 ideally maintains a uniform temperature below about 15K while heat is being removed. Therefore, the temperature change can be kept as small as possible by increasing the heat removal amount as much as possible. Thus, by increasing the pressure, the same amount of heat can be taken even with a low temperature difference. In this example, the helium gas in the downcomer 44 has a temperature of 8K and a pressure of 2 MPa. The result is a density of 126.2 grams per liter (g / L). The helium gas moving through the riser pipe 68 is warmed to a temperature of 8.3 K and is reduced in density in the upper mother pipe 74 to 121.65 g / L. Assuming a constant rate of temperature rise of the helium gas in the riser 68, the pressure difference available to move the helium gas in the convection cooling loop is the density difference times the height divided by two. Is equal to 17.2 Pa in this example. This is equal to the pressure drop in the cooling loop 13. The reason for dividing by 2 is that the average temperature change is assumed. A mass flow rate of 0.30 grams per second absorbs 0.4W and warms the helium gas from 8.0K to 8.3K. The actual procedure for calculating the temperature rise, circulation rate, and pressure drop is an iterative one in which several temperature rise values are estimated and the corresponding mass flow and drive pressure differentials are calculated. This mass flow rate is then used to calculate the pressure drop. The above iteration calculation is continued until the driving pressure difference becomes equal to the pressure drop. Another advantage of pressurizing helium gas is that it reduces both the velocity and pressure drop of the gas flowing through the circulation loop. These factors allow the use of smaller diameter tubes in the cooling loop 13. Assuming the tube of this example is aluminum, its weight would be about 0.2 kg. A similar conduction cooling shell made of high-purity aluminum, operating according to the principles of the prior art, would have a temperature difference of 0.3K, but would weigh about 0.6Kg. In addition, if the cooling shell is made of the more common 6063 grade aluminum, its weight would be 25 kg. The convective cooling loop 13 of the present invention has two additional advantages in relation to the effect of interruption of the power supply to the magnet 11 when compared to conventional conduction cooling systems. Assuming that the superconducting magnet 11 can be heated from 8K to 10K without normalization, if the conductive shell is 0.6Kg of aluminum, then after cooling is stopped, 3. Operation can be continued for 5 seconds. When the weight of the aluminum shell is 25 kg, the operation time after cooling is stopped is increased to 144 seconds. When the power supply is interrupted, the refrigerator 24 starts to become warm, and the conduction loss in the expander 26 causes heat to flow toward the low temperature downstream end of the refrigerator 24. As a result, when the refrigerator 24 is restarted, the cold station 30 will first rise in temperature and then fall in temperature again to normal operating temperature. The second advantage provided by the convection cooling loop 13 is that the heat generated by restarting the refrigerator 24 is not transferred to the superconducting magnet 11. This is because the convection loop 13 operates as a thermal switch and transfers heat only upward toward the upper mother pipe 74 and not downward toward the lower mother pipe 52. That is, since the density of the warmer helium gas in the vicinity of the refrigerator 24 is lower than the density of the cooler helium gas in the downcomer 44 and the lower mother pipe 52, the warmer helium gas is cooled to a lower temperature in the cooling loop 13. There is no pressure difference used to move towards the section, i.e., downcomer 44 and lower mother tube 52. This heat block, which is an integral part of the system, is important because it ensures that hot and cold gas mixing is prevented, thereby reducing the amount of circulation through the cooling loop 13. While the apparatus and method of the present invention described above provides a very effective means for convectively cooling superconducting magnet 11, it is also possible to provide an alternative embodiment as shown in FIG. It is the scope of the invention. In the example of FIG. 3, the system 10 has a first mode of operation that rapidly brings the superconducting magnet 11 to an operating temperature and a second mode of operation that maintains the magnet 11 at an optimal operating temperature. Referring to FIG. 3, there is shown a schematic of a lightweight convection cooling loop 13 'and system 10' according to a second embodiment. The system 10 'has a first mode of operation that quickly and effectively lowers the temperature of the superconducting magnet 11' to an operating temperature, and a second mode of maintaining the magnet 11 'at an optimum operating temperature. Throughout this specification, one, two, or three primed (') reference numbers are substantially identical to components represented by the same non-primed reference numbers. Represents a component. According to the invention, liquid cryogen such as liquid nitrogen having a temperature of about 80K and 4.2K liquid helium is first introduced into the downcomer 100 via the bypass header 101 including the inlet pipe 102. The unique structure and method of cooling the superconducting magnet 11 'in the system 10' in the above two modes. . These liquid cryogens flow to the closed cycle refrigerator 24 'through the convection cooling loop 13' including the downcomer 100, the lower mother tube 52 ', the riser tube 68' and the upper mother tube 74 ', and the cold station 30. Via the ', the downstream end flows to the connecting pipe 104 connected to the downcomer pipe 100. Since the liquid cryogen vaporizes and circulates in the convection cooling loop 13 ', the now lower density and higher temperature return gas cannot mix with the denser fluid introduced and thus It is forced to flow upward and flows out from the discharge pipe 106 of the bypass header 101. The discharge pipe 106 of the bypass header 101 can be positioned concentrically with the inlet pipe 102. Liquid helium stops the flow of liquid helium after the temperature of magnet 11 'has been lowered into the operating range below 15K. Then, the second high pressure helium gas is introduced into the convection cooling loop 13 ′ via the pipe 106, the refrigerator is turned on, and the system is described in detail with respect to the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2. It operates according to the principle. While the apparatus and method of the present invention described above provides a very effective means for convectively cooling superconducting magnets 11 and 11 ', it may also provide an alternative embodiment shown in FIG. This is within the scope of the present invention. FIG. 4 shows a schematic side view of a third embodiment of a superconducting magnet structure 10 ″ with a convection cooling loop 13 ″ and an additional cold storage structure 120. The cold heat storage structure 120 is provided in the convection cooling loop 13 ″ to maintain a low temperature in the loop 13 ″ for a longer time in case of a cooling system failure. The cold heat storage structure 120 can be provided only by increasing the size of the portion 122 of the downcomer 44 ″. While the apparatus and method of the present invention described above provides a highly effective means for additionally cooling the superconducting magnet 11 '', it provides an alternative embodiment shown in FIGS. It is also within the scope of the present invention. 5 and 6, the fourth embodiment of the superconducting magnet 10 '''with the convection cooling loop 130 provides further additional cooling when compared to the embodiments of FIGS. The downcomer 132 here includes a horizontal portion 134 below the upper mother tube 74 ″ ″ and is located below the upper mother tube 74 ″ ″. At the end of the horizontal section 134, a vertical section 136 extends downwardly from the cooling station 30 ′ ″ to a position below the magnet 11 ′ ″. Also, the vertical portion 136 of the downcomer 132 has substantially the same radius of curvature as the magnet 11 ''', as shown in FIG. The lower end 138 of the downcomer 136 is connected to the inlet 140 of the lower mother tube 142 adjacent to the bottom of the magnet 11 '''. The convection cooling loop 130 further includes a plurality of cylindrically shaped riser tubes 68 '''that are spaced apart from one another. This riser tube 68 '''surrounds the magnet 11''' and is in thermal close contact with the magnet 11 '''. As shown in FIGS. 5 and 6, each of the riser pipes 68 ′ ″ has curved portions 68A ′ ″ and 68B ′ ″, which are connected at their lower ends to the lower mother pipe 142, Also extending upwardly, their upper ends are connected to the upper mother pipe 74 ″ ″. The advantage of the fourth embodiment is that the stored amount of low-temperature gas remains in the horizontal portion 134 of the downcomer 132 during a power failure. Although the apparatus and method of the present invention described above provides a very effective means for convectively cooling the superconducting magnet 11, it is also possible to provide an alternative embodiment shown in FIG. Enter the range. In FIG. 7, a superconducting magnet 150 is provided which is substantially the same as magnet 11 but oriented vertically. The magnet 150 is cooled by a single riser tube 152 in a convection cooling loop 154. The cooling loop 154 is substantially the same as the closed cycle refrigerator 24 and includes a conventional closed cycle refrigerator 156 located adjacent to the magnet 150. The downstream end of the refrigerator 156 has a cooling / heating station 30 ′ ″ having an inlet 158 and an outlet 160. The outlet section 160 of the cooling station 30 ′ ″ is connected to the upper end of the downcomer 162 of the convection cooling loop 154. The downcomer 162 is positioned spaced from one side of the magnet 150 and extends from the cooling station 30 ′ ″ to a position below the magnet 150. The lower end of the downcomer 162 is connected to the lower mother pipe 164 that is a part of the convection cooling loop 154. The lower mother pipe 164 extends horizontally from the downcomer pipe 162 to the outside below the bottom of the magnet 150. The lower mother pipe 164 is connected to a rising pipe 152 that extends vertically upward and is in thermal close contact with the magnet 150. The upper mother pipe 168 connects the upper end of the pipe 152 to the inlet portion 158 of the cooling station 30 ″ ′. During operation, the heat generated by the magnet 150 flows radially outward through a lightweight aluminum shell located around the magnet 150. Because the magnets are oriented vertically, they can be cooled by a single riser 152. It is clear that the present invention provides an apparatus and method for cooling a superconducting magnet by circulating pressurized helium gas through a cooling loop by natural convection, satisfying the objects, means and advantages mentioned above. . Further, an apparatus and method has been provided for rapidly cooling a superconducting magnet to operating temperature while maintaining a low operating temperature even after a system malfunction. While the present invention has been described in conjunction with its embodiments, it will be apparent that many alternatives, modifications and variations will be apparent to those skilled in the art in light of the above teachings. Accordingly, the present invention is intended to embrace all such alternatives, modifications and variations as fall within the spirit and scope of the appended claims.
【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項
【提出日】１９９５年４月７日
【補正内容】
請求の範囲
１． 実質的に均一な温度に維持される超伝導磁石を冷却する方法であって、
（ａ）前記超伝導磁石と熱交換関係にあり、上端及び下端を有する少なくとも１
つの昇り管を設け、
（ｂ）前記少なくとも１つの昇り管の上端と冷熱ステーションの入口とを接続し
、且つ、前記下端と前記冷熱ステーションの出口とを接続することにより、前記
少なくとも１つの昇り管及び前記冷熱ステーションを含む冷却ループを形成し、
（ｃ）前記冷却ループ内に極低温ガスを充填し、前記１つの昇り管内の前記極低
温ガスが、前記熱交換関係を介して前記超伝導磁石から熱を吸収し、温度が上が
り、膨張して前記１つの昇り管内を自然対流によって上昇し、前記温度上昇した
極低温ガスが、前記少なくとも１つの昇り管の上端から去って前記冷熱ステーシ
ョンに流入し、該冷熱ステーションにおいて冷却され、次いで、該冷熱ステーシ
ョンから前記少なくとも１つの昇り管の上端に戻ることを特徴とする方法。
２． 前記超伝導磁石から初期的に熱を除去するための液体起寒剤を前記冷却ル
ープ内に充填して、前記超伝導磁石の温度をその動作温度に迄低下させ、次いで
、前記冷却ループから該液体起寒剤を除去する工程を更に備える、請求項１に記
載の方法。
３． 前記極低温ガスがヘリウムである、請求項１に記載の方法。
４． 実質的に均一な温度に維持される超伝導磁石を冷却するシステムであって
、
極低温ガスを冷却する冷凍手段と、
前記冷凍手段に接続され、前記超伝導磁石の下側に位置する下側母管に前記極
低温ガスを導入する降り管と、
下端において前記下側母管に接続され、上端において前記超伝導磁石の上に位
置する上側母管に接続される少なくとも１つの昇り管とを備え、該少なくとも１
つの昇り管が、前記超伝導磁石と熱伝導関係にあって該磁石から熱を吸収して前
記極低温ガスを加温し、前記少なくとも１つの昇り管内にある前記極低温ガスに
おける加温によって温度差が生じ、該ガスが前記下端におけるよりも上端におい
て温度が高く、前記温度差が前記少なくとも１つの昇り管内において前記上側母
管の方向に上方に向かう極低温ガスの自然対流を引き起こし、
前記上側母管が、前記加温された極低温ガスを冷却するために該加温された極
低温ガスを前記冷凍手段を通して流すことを特徴とするシステム。
５． 前記冷凍手段が、冷凍機及び冷熱ステーションを含み、該冷熱ステーショ
ンは前記上側母管に接続され前記冷凍機に対向する上端を有し、前記冷熱ステー
ションの下端は前記降り管と接続され、更に、前記冷熱ステーションは複数の流
路を有し、該流路は、前記上側母管から前記流路を経由して前記降り管内に流入
する前記極低温ガスを冷却する、請求項４に記載のシステム。
６． 前記冷凍機がギホード・マクマホン型又はスターリング型の冷凍機であり
、前記極低温ガスがヘリウムである、請求項５に記載のシステム。
７． 前記冷却ループ手段が、前記昇り管内における前記極低温ガスの質量流量
が均一となるサイズを有する複数の管から形成される、請求項４に記載のシステ
ム。
８． 前記昇り管が複数の管から成り、該複数の管は、前記極低温ガスが前記超
伝導磁石を通って流れるための複数の平行流路を提供する、請求項４に記載のシ
ステム。
９． 前記超伝導磁石から初期的に熱を除去して該超伝導磁石の温度を前記動作
温度に迄低下させるために、液体起寒剤を前記冷却ループ手段内に導入する分岐
母管を更に含む、請求項４に記載のシステム。
１０． 前記超伝導磁石が垂直方向に向けられ、前記降り管が前記磁石に隣接し
て配置され、単一の昇り管が前記超伝導磁石内を垂直方向に延在して、前記超伝
導磁石内を実質的に均一な温度に維持する、請求項４に記載のシステム。[Procedure Amendment] Patent Act Article 184-8, Paragraph 1 [Submission Date] April 7, 1995 [Amendment Content] Claims 1. A method of cooling a superconducting magnet maintained at a substantially uniform temperature, comprising: (a) providing at least one riser tube having a heat exchange relationship with the superconducting magnet and having an upper end and a lower end; ) A cooling loop including the at least one riser pipe and the cooling station by connecting an upper end of the at least one riser pipe and an inlet of the cooling station and a lower end of the at least one riser pipe and an outlet of the cooling station. (C) filling the cooling loop with cryogenic gas, the cryogenic gas in the one riser tube absorbing heat from the superconducting magnet via the heat exchange relationship, The cryogenic gas, which rises and expands and rises by natural convection in the one riser, rises in temperature and leaves the upper end of the at least one riser to the cooling station. Inflowing, cooling in said cold station, and then returning from said cold station to the upper end of said at least one riser tube. 2. A liquid cryogen for initially removing heat from the superconducting magnet is filled into the cooling loop to reduce the temperature of the superconducting magnet to its operating temperature, and then the liquid from the cooling loop. The method of claim 1, further comprising the step of removing the cryogen. 3. The method of claim 1, wherein the cryogenic gas is helium. 4. A system for cooling a superconducting magnet maintained at a substantially uniform temperature, comprising a refrigerating unit for cooling cryogenic gas, and a lower side connected to the refrigerating unit and located below the superconducting magnet. A descending pipe for introducing the cryogenic gas into the mother pipe, and at least one rising pipe connected to the lower mother pipe at the lower end and connected to an upper mother pipe located above the superconducting magnet at the upper end. The at least one riser tube is in a heat conducting relationship with the superconducting magnet to absorb heat from the magnet to heat the cryogenic gas, and the at least one riser tube is provided with the cryogenic gas Causes a temperature difference due to the heating, and the gas has a higher temperature at the upper end than at the lower end, and the temperature difference is higher than the temperature of the cryogenic gas in the at least one rising pipe toward the upper mother pipe. A system causing natural convection, wherein the upper mother tube causes the warmed cryogenic gas to flow through the refrigeration means to cool the warmed cryogenic gas. 5. The freezing means includes a refrigerator and a cooling / heating station, the cooling / heating station has an upper end that is connected to the upper mother pipe and faces the refrigerator, and the lower end of the cooling / heating station is connected to the downcomer, and The system according to claim 4, wherein the cooling station has a plurality of flow paths, and the flow path cools the cryogenic gas flowing into the downcomer from the upper mother tube via the flow path. . 6. The system according to claim 5, wherein the refrigerator is a Gifode-McMahon type or Stirling type refrigerator, and the cryogenic gas is helium. 7. The system of claim 4, wherein the cooling loop means is formed from a plurality of tubes sized to have a uniform mass flow of the cryogenic gas in the riser tube. 8. The system of claim 4, wherein the riser tube comprises a plurality of tubes that provide a plurality of parallel channels for the cryogenic gas to flow through the superconducting magnet. 9. Further comprising a branch mother tube for introducing a liquid cryogen into the cooling loop means to initially remove heat from the superconducting magnet to reduce the temperature of the superconducting magnet to the operating temperature. Item 4. The system according to Item 4. 10. The superconducting magnet is oriented vertically, the downcomer is positioned adjacent to the magnet, and a single riser tube extends vertically within the superconducting magnet to define the interior of the superconducting magnet. The system of claim 4, wherein the system is maintained at a substantially uniform temperature.